PENGARUH SUDUT KELENGKUNGAN SUDU SAVONIUS PADA HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE TERHADAP POWER GENERATION SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: TAUFAN APHA SANDITYA NIM. I1414038 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016 i
ii
iii
PENGARUH SUDUT KELENGKUNGAN SUDU SAVONIUS PADA HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE TERHADAP POWER GENERATION Taufan Apha Sandiya Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia E-mail: taufansanditya07@gmail.com Abstrak Energi air merupakan salah satu potensi untuk menciptakan pembangkit listrik alternatif khususnya tenaga pikohidro. Savonius merupakan jenis turbin angin yang dapat beroperasi dengan memanfaatkan kecepatan alir fluida yang relatif rendah, dimana penelitian tentang pemanfaatan turbin Savonius ini telah dikembangkan di aliran air dalam pipa dan di gelombang air laut. Pada penelitian ini, dilakukan pengujian secara eksperimental pada Horizontal Axis Water Turbine (HAWT) tipe Savonius dengan mengamati pengaruh sudut kelengkungan sudu 110º, 120º, 130º, dan 140º pada debit 176,4 lpm, 345 lpm, 489,6 lpm, dan 714 lpm untuk mengetahui daya listrik yang dihasilkan. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa pada sudut kelengkungan sudu 120º didapatkan hasil paling optimal pada setiap variasi debit. Pada debit maksimal yaitu 714 lpm dengan sudut kelengkungan sudu 120 dapat menghasilkan daya listrik output sebasar 39,15 Watt dengan koefisien daya (Cp) 0,23 dan tip speed ratio (TSR) 1,075. Kata kunci: pikohidro, sudut kelengkungan sudu, Savonius, power generation iv
EFFECT OF BLADE ARC ANGLE OF SAVONIUS HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE TO THE POWER GENERATION Taufan Apha Sandiya Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia E-mail: taufansanditya07@gmail.com Abstract The water energy is one of potential alternative in creating power generation specifically for the picohydro energy. Savonius is a kind of wind turbine which is able to be operated utilizing the energy from low fluid flow. Researches about the utilization of Savonius turbine have been developed in the water pipelines and wave. The testing experimental on the Savonius Horizontal Axis Water Turbine (HAWT) by observing the effect of the blade arc angle of 110º, 120º, 130º, and 140º at the debit of 176.4 lpm, 345 lpm, 489.6 lpm, and 714 lpm in order to know the power output was already conducted. The optimal result in every debit variation was obtained in the blade arc angle of 120º. In the maximum debit of 714 lpm with blade arc angle of 120º the power output is 39.15 Watt with the coefficient power (Cp) of 0.23 and tip speed ratio (TSR) of 1.075. Keywords: Picohydro, blade arc angle, Savonius, power generation v
KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan hidayah-nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini dengan judul Pengaruh Sudut Kelengkungan Sudu Savonius Pada Horizontal Axis Water Turbine Terhadap Power Generation. Skripsi ini disusun untuk melengkapi salah satu mata kuliah dan sebagai syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam menyusun skripsi ini penulis banyak memperoleh bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Allah SWT, karena dengan rahmat serta hidayah-nya saya dapat melaksanakan skripsi dengan baik dan lancar. 2. Ayah dan Ibu yang telah memberikan doa dan dorongan serta motivasi baik moral maupun material sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing I yang senantiasa memberikan nasehat, arahan, dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini. 4. Bapak D. Danardono, S.T., M.T., PhD., selaku dosen pembimbing II yang turut serta memberikan arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini. 5. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, S.T., M.T., bapak Dr. Budi Kristiawan ST. MT., dan bapak Sukmaji Indro Cahyono, S.T., M.Eng., selaku dosen penguji yang memberikan kritik dan saran membangun demi sempurnanya skripsi ini. 6. Ibu Indri Yaningsih, S.T., M.T., selaku pembimbing akademis yang telah memberikan bimbingan dan semangat selama melaksanakan perkuliahan. 7. Bapak Dr. Nurul Muhayat S.T., M.T., selaku koordinator TA yang telah membantu kelancaran dalam menyelesaikan skripsi ini. 8. Bapak serta Ibu dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta yang turut serta mendidik penulis hingga vi
menyelesaikan studi S1. 9. Teman-teman mahasiswa Teknik Mesin (Transfer) 2014 yang telah banyak membantu dan memberi dorongan moril, fasilitas serta motifasi sehingga terselesainya penulisan skripsi ini. 10. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu selama penyusunan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi masih terdapat kekurangan. Kritik dan saran dari berbagai pihak akademis maupun umum selalu penulis harapkan demi kesempurnaan tugas akhir ini. Akhir kata, penulis berharap semoga skipsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khusunya. Surakarta, Desember 2016 Penulis vii
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN SURAT PENUGASAN... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii ABSTRAK... iv ABSTRACT... v KATA PENGANTAR... vi DAFTAR ISI... viii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR PERSAMAAN... xiv DAFTAR LAMPIRAN... xv BAB 1 PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang Masalah... 1 1.2. Perumusan Masalah... 2 1.3. Batasan Masalah... 2 1.4. Tujuan Penelitian... 3 1.5. Manfaat Penelitian... 3 1.6. Sistematika Penulisan... 3 BAB II LANDASAN TEORI... 4 2.1. Tinjauan Pustaka... 4 2.2. Dasar Teori... 10 2.2.1. Persamaan Dasar Bernoulli... 10 2.2.2. Turbin Air... 11 2.2.2.1. Turbin Impuls... 12 2.2.2.2. Turbin Reaksi... 13 2.2.3. Pemilihan Turbin Air... 15 2.3. Parameter yang Digunakan dalam Perhitungan... 16 2.3.1. Debit Aliran Fluida ( )... 16 2.3.2. Kecepatan Fluida (U)... 16 viii
2.3.3. Daya Fluida Input (P i )... 17 2.3.4. Daya Listrik Output (P o )... 17 2.3.5. Tip Speed Ratio (TSR)... 17 2.3.6. Koefisien Daya (Cp)... 18 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 19 3.1. Tempat Penelitian... 19 3.2. Desain... 19 3.3. Spesimen yang Diuji... 20 3.4. Skema Alat Penelitian... 21 3.5. Alat Ukur dan Komponen Pengujian... 23 3.6. Pra Studi... 28 3.7. Garis Besar Penelitian... 31 3.8. Pelaksanaan Penelitian... 31 3.9. Prosedur Penelitian... 31 3.9.1. Tahap Persiapan... 31 3.9.2. Pengambilan Data Variasi Debit... 31 3.9.3. Pengambilan Data Putaran turbin, Arus, dan Tegangan listrik... 32 3.10. Diagram Alir Penelitian. 34 BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN... 35 4.1. Studi Simulasi Turbin Savonius dengan Variasi Sudut Kelengkungan Sudu 35 4.2. Perhitungan Data... 39 4.3. Analisa Data... 39 4.3.1. Debit... 39 4.3.2. Daya Fluida Input... 39 4.3.3. Kecepatan Aliran Fluida Masuk... 40 4.4. Analisa Pengaruh Sudut Kelengkungan Sudu Terhadap Putaran Turbin.. 41 4.5. Analisa Pengaruh Sudut Kelengkungan Sudu Terhadap Tegangan... 43 4.6. Analisa Pengaruh Tip Speed Ratio Terhadap Koefisien Daya... 44 4.7. Daya Listrik Output... 45 BAB V PENUTUP... 48 5.1. Kesimpulan... 48 5.2. Saran... 48 ix
DAFTAR PUSTAKA... 49 LAMPIRAN... 51 x
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1. Ukuran concentrator... 9 Tabel 2.2. Pengelompokan turbin air... 11 Tabel 4.1. Pengaruh sudut kelengkungan sudu terhadap torsi... 38 Tabel 4.2. Variasi debit dan head yang dihasilkan... 39 Tabel 4.3. Kecepatan fluida... 41 xi
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Susunan geometris sudu (blade)... 4 Gambar 2.2. Blok diagram electrical generation menggunakan sistem RWH... 5 Gambar 2.3. Savonius rotor secara konvensional... 6 Gambar 2.4. Modifikasi Savonius rotor dengan poros... 6 Gambar 2.5. Modifikasi Savonius rotor tanpa poros... 7 Gambar 2.6. Tiga gambar concentrator... 8 Gambar 2.7. Geometri rotor sudut kelengkungan sudu 60... 9 Gambar 2.8. Skematik turbin Savonius... 10 Gambar 2.9. Skema aliran pada turbin Pelton... 12 Gambar 2.10. Segitiga kecepatan turbin Pelton... 12 Gambar 2.11. Skema aliran pada turbin Francis... 13 Gambar 2.12. Segitiga kecepatan turbin Francis... 14 Gambar 2.13. Pengaplikasian berbagai jenis turbin air berdasarkan head dan debit... 15 Gambar 3.1. Skema desain sudut kelengkungan sudu turbin... 19 Gambar 3.2. Variasi turbin Savonius... 20 Gambar 3.3. Skema alat penelitian... 21 Gambar 3.4. Ilustrasi aliran fluida... 22 Gambar 3.5. Tachometer... 23 Gambar 3.6. Multitester... 23 Gambar 3.7. Stopwatch... 24 Gambar 3.8. Ember ukur... 24 Gambar 3.9. Mistar roll... 25 Gambar 3.10. Alternator... 25 Gambar 3.11. Dioda penyearah... 26 Gambar 3.12. Rumah turbin (Housing)... 26 Gambar 3.13. Pompa sentrifugal... 27 Gambar 3.14. Katup (Stop kran)... 27 xii
Gambar 3.15. (a) Tangki bawah (b) Tangki atas... 28 Gambar 3.16. Hasil surface plot... 30 Gambar 3.17. Hasil flow trajectories... 30 Gambar 3.18. Diagram alir penelitian... 34 Gambar 4.1. Distribusi kecepatan fluida pada sudut kelengkungan sudu 110º sampai dengan 140º... 35 Gambar 4.2. Kontur tekanan pada sudut kelengkungan sudu 110º sampai dengan 140º... 37 Gambar 4.3. Grafik pengaruh sudut kelengkungan sudu dengan torsi... 39 Gambar 4.4. Grafik perbandingan besarnya daya fluida input dengan debit air... 40 Gambar 4.5. Luas penampang deflektor... 41 Gambar 4.6. Grafik hubungan antara sudut kelengkungan sudu dengan putaran turbin... 42 Gambar 4.7. Grafik hubungan antara sudut kelengkungan sudu dengan tegangan... 43 Gambar 4.8. Grafik hubungan antara TSR terhadap Cp pada sudut kelengkungan 110º sampai dengan 140º... 44 Gambar 4.9. Grafik hubungan antara sudut kelengkungan sudu dengan daya listrik output yang dihasilkan... 46 xiii
DAFTAR PERSAMAAN Halaman Persamaan (2.1) Persamaan dasar Bernoulli... 10 Persamaan (2.2) Debit aliran fluida... 16 Persamaan (2.3) Kecepatan fluida... 16 Persamaan (2.4) Daya fluida input... 17 Persamaan (2.5) Daya listrik output... 17 Persamaan (2.6) Tip Speed Ratio (TSR)... 17 Persamaan (2.7) Kecepatan sudut... 18 Persamaan (2.8) Koefisien daya... 18 Persamaan (2.9) Daya turbin... 18 xiv
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1 Data hasil percobaan... 52 Lampiran 2 Perhitungan data eksperimental... 56 Lampiran 3 Rekapitulasi hasil perhitungan... 58 Lampiran 4 Perhitungan luas penampang ½ diameter lingkaran pipa... 59 Lampiran 5 Perhitungan efisiensi alternator... 60 Lampiran 6 Physical Properties of Water (SI Units)... 62 xv